GaN基材料外延层生长制备方法

摘要

本发明公开了一种GaN基材料外延层生长制备方法，使用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上间歇生长外延层，获取器件所需的缓冲层结构；在整个薄膜生长过程中，向金属有机物化学气相沉积薄膜生长室内等流量持续通入III族生长源及载流气体，间歇通入V族生长源，V族生长源间断时间依间歇次序等梯度递减。本发明提供的制备方法能够显著降低GaN基材料外延层的位错密度，有效提高器件外延层的晶体质量，从而有效提高光电半导体器件及电子器件的性能。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制备方法，尤其涉及一种GaN基材料外延层生长制备方法。

背景技术

III族氮化物半导体材料，包括GaN、氮化铟(InN)、氮化铝(AlN)、铟镓氮(InGaN)、铝镓氮(AlGaN)和铝铟镓氮(AlInGaN)等，物理化学性能优良，适宜制作半导体光电子和电子器件的材料。通过调整合金成分，GaN基材料可以获得0.7～6.2eV的连续可调的带隙能量，其带隙的对应波长覆盖了从紫外(200nm)到红外(1771nm)的光谱范围，是短波长光电子器件及高温、高频、大功率微电子器件制备的最优选材料，被誉为继以硅为代表的第一代元素半导体、以砷化镓为代表的第二代化合物半导体之后的第三代化合物半导体材料。

近年来，随着以GaN基半导体材料制备技术的飞速发展，蓝色、紫外波段的半导体发光二极管、半导体激光器，日盲紫外光电探测器及高频大功率电子器件相继研制成功，使GaN基光电子、电子器件成为人们研究的热点。

然而，在GaN基半导体材料的外延生长技术中，仍存在着一些有待解决的重要问题。其中，一个突出的问题就是，在采用目前的外延技术所生长的GaN基外延层中，贯穿位错密度仍然较高。由于没有匹配的衬底材料，异质外延生长的GaN薄膜通常具有很高的位错密度。近几年的研究表明GaN内的贯穿位错是有效的非辐射复合中心，在位错密集区域，少数载流子由于非辐射复合而大量减少，这些缺陷极大的影响了GaN基材料外延层晶体质量，从而严重限制、降低了光电器件及电子器件的性能。

针对以上问题，目前研究的解决办法主要有三大类：

第一类为插入中间层方法。其中，主要有：生长过程中插入低温中间层法，生长过程中插入不同带隙宽度中间层法，插入高温中间层法等。低温中间层的作用在于它解决了大失配外延体系中外延层与衬底互不浸润的问题，为高温下的外延层生长提供了成核中心，同时它也是应力释放中心。例如，日本学者提出在生长GaN基材料外延层时插入两个低温AlN外延层，所插入的低温AlN外延层能有效降低GaN基外延层位错密度。插入低温中间层的一个缺点是在生长过程中高低温间的转换要消耗较长的时间，为此，有研究者提出了插入高温中间层以提高GaN外延层晶体质量的方法。例如，韩国学者提出在GaN，AlGaN的MOCVD外延生长过程中，插入高温AlN薄膜夹层，这种高温中间层插入法也起到了降低后续外延层中的位错密度的作用。插入中间层法是目前降低位错密度主要手段。

第二类为生长GaN/AlN、GaN/AlGaN等超晶格结构的方法。利用超晶格结构中两种材料晶格常数不同所引起的应力变化，使穿透到超晶格结构界面的位错产生弯曲、闭合，以达到减少位错的目的。

第三类为生长氮化硅(Si₃N₄)薄膜夹层方法。在GaN基材料外延生长过程中中断III族生长源，向反应腔内通入V族生长源氨气(NH₃)及硅烷(SiH₄)气体，生成Si₃N₄薄膜。该夹层能阻挡部分贯穿位错向后续外延层穿透，从而减少层中位错密度。

以上是目前减少GaN基材料外延层位错密度的主要方法，但是通过以上方法制备的GaN基薄膜中位错密度仍然较高，贯穿位错仍然严重的影响GaN基外延层的晶体质量，从而限制、降低了GaN基光电器件和电子器件的性能。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种GaN基材料外延层生长制备方法，本发明提供的间歇生长方法能够显著降低GaN基材料外延层的位错密度，有效提高器件外延层的晶体质量，从而有效提高光电半导体器件及电子器件的性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种GaN基材料外延层的生长制备方法，用金属有机物化学气相沉积方法在衬底上间歇生长外延层结构，获取器件所需的缓冲层结构。

在整个薄膜生长过程中，向金属有机物化学气相沉积薄膜生长室内等流量持续通入III族生长源及载流气体，并间歇通入V族生长源。

在每个间歇之间通入V族生长源的时间相同，且在此时间内生长的膜厚范围为70～200nm。

上述通入V族生长源后，外延生长时间范围为10～30秒

在间歇通入V族生长源的过程中，每相邻两次通入V族生长源的间断时间不同，并且间断时间依间歇次序等梯度逐次减少。

上述间断时间范围为10～60秒，且间断时间梯度范围为5～20秒/次。

在整个薄膜生长过程中，间歇通入的V族生长源的次数范围为3～10次。

采用三甲基镓、三甲基铟及三甲基铝作为III族生长源，氨气作为V族生长源，同时使用纯氢气作为载流气体。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

在衬底上生长GaN基材料外延层，持续通入III族生长源，数次间歇V族生长源，且等梯度逐次减少间断时间，使得外延层生长过程梯度间歇进行，经过数次间歇生长过程后，可以制备高质量的GaN基材料外延层。采用这种间歇生长方法能够给外延层的生长提供更好的二维生长机会，提高外延层的生长效率和生长质量，同时更有效的抑制了外延层生长过程中难以避免的高贯穿位错密度，所以此方法能显著提高外延层质量，有效提高器件外延层的晶体质量，从而有效提高光电半导体器件及电子器件的性能。

附图说明

图1为本发明的新型GaN基材料外延层生长制备方法生长源通断时序示意图；

图2为本发明的新型GaN基材料外延层生长制备方法制备外延缓冲层结构示意图；

图3为本发明的新型GaN基材料外延层生长制备方法实施过程示意图。

上述图中，1为衬底，2为间歇生长过程中第一次生长的外延层，3为间歇生长过程中第一次生长间断后第二次生长的外延层，4为间歇生长过程中第二次生长间断后第三次生长的外延层，5为后续间歇生长过程中的多层外延层结构，6为多层外延层上生长的器件外延层结构部分。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图对本发明实施例提供的技术方案进行详细说明。

可以通过以下过程实现本发明提出的新型GaN基材料外延层生长制备方法，如图1、图2及图3所示：

步骤1.衬底置于金属有机物化学气相沉积设备反应室中，采用三甲基镓、三甲基铟及三甲基铝作为III族生长源，NH₃作为V族生长源，同时使用纯氢气作为载流气体。

步骤2.向金属有机物化学气相沉积反应室中通入III族生长源和V族生长源及载流气体，外延生长过程开始，外延生长时间为10～30秒，形成第一次生长的外延层2。

步骤3.在步骤2过程达到外延层生长时间后，中断V族生长源，外延生长过程间断，间断时间为10～60秒，达到间断时间后，继续通入V族生长源，外延层继续生长，形成第二次生长的外延层3。

步骤4.在步骤3过程达到外延层生长时间后，中断V族生长源，外延生长过程间断，间断时间相比第一次间断时间减少，时间减少值等于时间梯度值，时间梯度值为5～20秒/次，达到间断时间后，继续通入V族生长源，外延层继续生长，第三次生长的外延层4。

步骤5.重复上述步骤2～4，重复次数为3～10次，从而得到多层外延层结构5。

上述所形成的各个外延层的生长厚度在70～200nm之间。

通过以上步骤可以制备得到器件所需的减少位错、高晶体质量的GaN基材料外延缓冲层结构。

以上对本发明所提供的一种新型GaN基材料外延层生长制备方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。